HFSS应用案例:HFSS电大平台天线布局仿真之天线隔离度分析
本文摘要(由AI生成):
本文利用HFSS SBR求解器,通过不同方法创建了天线模型,并研究了电大载体平台上GPS天线的极化隔离、方位隔离和位置隔离等电磁兼容问题。通过仿真分析,得到了隔离度的变化规律,并针对不同场景提出了相应的解决思路。文章强调了HFSS SBR在预测和解决平台级电磁兼容问题中的重要性和有效性,为工程实践提供了有价值的参考。
1概述
天线间的隔离度(或耦合度)可以很直观地评估平台上不同天线间相互影响的情况,在诸如车载、机载和舰载等电大平台的电磁兼容性指标中,天线间隔离度是非常重要的参数。在此前的《HFSS电大平台天线布局仿真之实装天线性能评估》推文中,我们基于HFSS SBR 求解器对机载平台上的单极子天线性能进行了仿真评估。这里书接上文,继续利用HFSS SBR 求解器仿真机载平台上多幅天线之间的隔离度。在给定平台的约束条件下,做好天线间的隔离,可以考虑以下2个因素:本文将基于ANSYS Electronics 2021 R2,演示如何利用HFSS评估机载平台上天线间的隔离情况,同时也将展示HFSS中创建天线的不同方法,这些方法可以覆盖多种工程应用场景。2机载平台模型
机载平台模型与此前推文案例《HFSS电大平台天线布局仿真之实装天线性能评估》相同。2.1极化隔离示例
平台上的通信系统不得不考虑极化隔离,即干扰源与干扰对象在布局上采取极化隔离措施,以减少相互之间的耦合。这里考虑两副天线,除极化方式外,其他参数相同,天线安装位置如图1所示,假定比较糟糕的一种情况:两副天线主波束相向辐射。同时,指定天线1为被 干扰的天线(接收天线),天线2为产生干扰的天线(发射天线)。2.1.1天线建模
天线1和天线2均采用Parametric Beam方法创建,右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation,选择Create Antenna Component>Parametric Beam,如图2所示。图2 Parametric Beam快速创建天线模型其中天线1极化方式选择Vertical固定不变,天线2的极化方式在4个不同的HFSS Design中依次选为Vertical、Horizontal、LHCP、RHCP。由于两副天线之间相互均可以发射或者接收,从S参数角度可以看作是2端口网络,由于我们此处只考虑天线2对天线1的影响,即只考虑S12。为了减少计算量,我们可以指定天线1为接收天线、天线2为发射天线。方法为,右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation,选择Select Tx/Rx,弹出窗口设置如图3所示。2.1.2求解设置
Solution setup设置如下图所示,由于我们重点关注隔离度情况,因此为了减少计算量从而缩短仿真时间,此处我们不勾选Compute Fields,如图4所示。2.1.3极化隔离仿真结果
建好模型及求解设置,运行仿真。右键点击Project Manager>HFSS Design >Result,选择Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot,如图5所示选择相应的S参数。注,由于我们提前指定了Rx/Tx,此处仅有一个S参数结果可选。得到结果如图6所示。该仿真得到了相同参数的天线在不同极化方式下的隔离度。其中当天线1和2均为垂直极化时,隔离度最差;当天线1为垂直极化、天线2分别为左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)时,隔离度介于前两者之间且曲线重合。2.2方位隔离示例
方位隔离可以简单的理解为方向、位置及其组合对隔离的影响。这里我们考虑2种场景,场景1考虑辐射方向的影响:受干扰的接收天线和产生干扰的发射天线,两者位置固定不变,而发射天线的主波束在平面上的-45°到 45°区间扫描,如图7所示;场景2考虑相对位置的影响:接收天线固定不变,仅改变发射天线的相对位置,如图8所示。注:两种场景采用的天线种类将有所不同,也特地选择了不同的天线建模方法。2.2.1天线建模
2.2.1.1场景1天线模型
首先为接收天线和发射天线建立相对坐标系,如下所示:采用单极子天线,工作频率1.56GHz,利用“wire Monopole”方法实现,右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation,选择Create Antenna Component>Wire Monopole,并在弹出的窗口中如图10设置。注:此时将RX_CS坐标系设置为当前工作的坐标系。采用自定义波束天线,利用“Parametric Beam”方法实现,右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation,选择Create Antenna Component>Parametric Beam,如图11所示。注:此时将TX_CS坐标系设置为当前工作的坐标系。为了仿真发射天线朝向不同方位辐射的情况,将该天线沿Z轴旋转,旋转的角度设定为变量rotate_Tx:-45°~ 45°,step=15°。为了减少计算量,我们可以指定wire Monopole天线为RX天线、Parametric Beam天线为Tx天线。方法为,右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation,选择Select Tx/Rx并相应的指定即可。2.2.1.2场景2天线模型
首先为接收天线和发射天线建立相对坐标系,其中发射天线的x坐标设置为变量Lx(-4m,2m,stpe=1m),以便后续仿真不同位置变化对隔离度的影响。如下所示:采用单极子天线,工作频率0.5GHz,利用“wire Monopole”方法,实现方式如同4.1.1节的接收天线建模。采用GPS天线,工作频率1.56GHz,利用Antenna Tool kit方法。具体如下:首先,在主菜单View>ACT Extensions>Launch Wizards>HFSS Antenna Tool kit>Antenna Type>Custom>GPS Ceramic Patch,点击finish后界面会自动生成一个新的GPS天线的Project,如图13、14所示。为了减少计算量,我们可以指定wire Monopole天线为RX天线、GPS天线为Tx天线。方法为,右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation,选择Select Tx/Rx并相应的指定即可。图13 Antenna Tool kit创建GPS天线图14 自动创建的名称为“GPS_patch_ceramic_ATK1”的Project2)也可以选择Link to Source Design3)再或者导入该天线3D远场辐射结果,以作为激励源。这里我们介绍第3种方法,即利用“Excitation→By File”的方法导入GPS天线远场数据,具体方法如下:首先在自动创建的“ GPS_patch_ceramic_ATK1”Project中,双击Analysis下的ATK_Solution,在Advanced选项卡下的Far Filed Observation Domain选中3D。注意必须选择3D,我们才能将GPS天线的3维辐射场导出。如图15所示。图15 求解设置-FarFiledObservationDomain随后对ATK_Solution下的SParam_Sweep进行扫频设置,将插值Interpolating改为离散Discrete,扫频范围设置在1.5GHz~1.65GHz,扫描点100个,如图16所示。运行仿真,仿真完成后,在Radiation下方右键点击“3D”并选择Compute Antenna Parameters,弹出窗口的设置如图17所示,然后选择Export Fields导出并保存.ffd文件。回到场景2的Project Manager中,首先将当前工作坐标系设定为TX_CS,然后右键点击Excitation,选择Create Antenna Component>By file,弹出窗口中选择External…,并找到上一步导出的.ffd文件。如图18所示。2.2.2求解设置
2.2.2.1场景1求解设置
Solution setup设置如下图所示,由于我们重点关注隔离度情况,因此为了减少计算量从而缩短仿真时间,此处我们不勾选Compute Fields,如图19所示。2.2.2.2场景2求解设置
同样,为了减少计算量从而缩短仿真时间,此处我们不勾选Compute Fields,如图20所示。2.2.3方位隔离仿真结果
2.2.3.1场景1方向隔离的仿真结果
右键点击Project Manager>HFSS Design >Result,选择Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot,得到如图21所示的S参数结果。结果显示,当roatat_Tx=0°时,即发射天线主波束沿 X方向时,隔离度最差,roatat_Tx=45°时,即发射天线主波束与 X轴夹角45°时,隔离度最好。2.2.3.2场景2位置隔离的仿真结果
右键点击Project Manager>HFSS Design >Result,选择Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot,得到如图22所示的S参数结果。结果显示,Lx=2m时,即发射天线离接收天线最近时,隔离度最差;整体而言当Lx=-2~-4m时,隔离度逐渐变好。3结论
首先必须强调的是,本案例考虑的场景或者因素相对单一,以上几种隔离场景在实际工程中,需要进行综合考虑。本案例在HFSS SBR 求解类型下,利用了By file、Parametric Beam、Wire Monopole等方式创建了天线模型,这些方式可供不同的工程实际而选择。可以看到,针对电大载体平台的极化隔离、方位隔离等电磁兼容问题,利用HFSS SBR 对进行仿真是一种很好的手段,可以帮助我们有效地预测平台级电磁兼容问题,并为问题的解决提供解决思路与预先验证。获赞 9712粉丝 21108文章 3396课程 215